高昌区塔尔朗水库大坝稳定分析研究

曹 凯

（吐鲁番市清源水利水电勘测设计院有限公司，新疆 吐鲁番 838000）

1 工程概况

高昌区塔尔朗水库位于高昌区北西部塔尔朗河中下游峡谷区河段，是一座具有工业供水和农业灌溉功能的综合性水利枢纽工程。水库正常蓄水位1 168.00 m，相应库容2 325 万m3，校核洪水位1 170.46 m，相应库容2 534 万m3，最大坝高71 m。本工程为Ⅲ等中型工程，土石坝级别为2级，永久建筑物导流兼放空冲沙洞、溢洪洞和灌溉洞级别为3级。因洪水标准不因建筑物提级而提高，故水库大坝取50 a 一遇洪水为设计标准，取1 000 a 一遇洪水为校核标准。

2 工程地质条件

大坝基础河床堆积为巨厚的现代河床沉积的砂卵砾层夹漂石，最大厚度达99.5 m，结构较松散～密实，为中等～强透水层，存在坝基渗漏问题；两岸及河床下伏基岩上部为中等～弱透水层，其相对不透水层（q＜5 Lu）埋深左岸28.3～41.3 m、右岸42.0～50.8 m、河床34.7～106.5 m。两岸地下水埋藏较深，左、右岸蓄水位处埋深分别约41.9、46.1 m。为此，需做好基岩内的防渗，其防渗帷幕可考虑与相对不透水层（q＜5 Lu）封闭，则左、右两岸绕坝渗漏长分别约87、93 m[1]。

3 大坝变形、应力及抗震有限元分析

3.1 土石坝三维有限元计算模型和主要参数

3.1.1 计算模型

本文计算模型分为静力本构模型和动力本构模型。静力本构模型中，筑坝堆石料是非线性材料，其引起坝体变形因素为荷载的大小及加荷的应力路径，应力应变关系会呈现出明显的非线性特性。通过三轴试验研究结果可以看出，邓肯-张E-B 模型公式对坝料应力和应变非线性特性能较好的反映。动力本构模型中，振动碾压堆石坝在地震过程中主要表现为振缩特性，加强了抵御地震破坏的能力，同时密实的坝体地震反应更为剧烈，大坝特别是坝顶的加速度反应更大，鞭梢效应更强，大坝局部抗震设计措施必须得到加强。粗粒料的动力性质研究成果较为丰富，计算采用振动硬化模型，该模型可反映粗粒料振动硬化对大坝抗震的不利影响[2]。

3.1.2 计算条件

大坝的三维有限元计算共分23级，其中第1～5级为覆盖层，第6～20 级为大坝坝体全断面每填筑1～7 m厚度为1级，高程范围为1 095.5 ～1 172.0 m，第21 级为坝体蓄水至死水位1 136.0 m，第22 级为坝体蓄水至1 150.0 m，第23级为坝体蓄水至正常蓄水位1 168.0 m，通过23级加载过程来模拟整个坝体加载及蓄水过程。

3.1.3 计算参数

（1）静力参数。静力计算采用E-B 模型，各参数详见表1。

表1 坝料E-B模型计算参数

（2）动力参数。塔尔朗水库沥青心墙坝坝料动力参数，通过类比已有土石坝坝料试验结果，综合考虑坝料的设计干密度、母岩岩性等情况最终确定，详见表2。

表2 坝料动力计算参数

3.1.4 计算网格剖分

大坝采用三维自动剖分程序剖分坝体单元，以河床典型剖面为基准，沿坝轴线方向共设定43个计算剖面，对各坝段自左岸至右岸进行了编号。塔尔朗水库整个坝体共剖分10 792个总节点数、10 367个总单元数，其中有728个心墙单元和75个防渗墙单元[3]。

3.2 坝体静力非线性有限元计算成果分析

本计算主要利用三维非线性有限元分析方法，对大坝的应力与变形进行计算分析。

3.2.1 坝体变形

竣工工况和正常蓄水位工况下的坝体变形，如图1—2所示。

图1 竣工工况下大坝横断面位移

从图1 可以看出，在竣工工况下，坝体主要因为筑坝料的泊松效应，使得断面上下游方向水平位移分别指向上下游，上游及下游最大位移分别为16.8、11.5 cm，分别位于上游高程1 120.00 m附近及下游高程1 100.00 m 附近，分布较为规律；最大竖向位移为58.4 cm，发生在高程1 130.00 m 附近的中心区域，占坝高的0.82%。从图2 可以看出，在正常蓄水位工况下，坝体主要因为水力作用，促使坝体上下游水平向位移整体向下游偏移，指向上游及指向下游的的最大位移分别为11.5、35.1 cm，发生在高程1 120.00 m 附近位置，最大竖向位移为62.6 cm，发生在高程1 135.00 m 附近的偏上游坝中心区域，占坝高的0.88%。

图2 正常蓄水位工况下大坝横断面位移

3.2.2 坝体应力

竣工工况和正常蓄水位工况下的坝体应力，如图3—4所示。

图3 竣工工况下大坝横断面第一及第三主应力

从图3 可以看出，在竣工工况下，坝体第一与第三主应力最大值分别为1.32、0.38 MPa，均发生在坝体与基座接触部位，存在坝体主应力与坝坡基本平行且从坝顶向坝基呈现逐渐加大的趋势特点。从图4 可以看出，在正常蓄水位工况下，坝体主应力分布规律及趋势特点与竣工工况下基本相似，大、小主应力的位置也基本相同，但极值有所增大，第一与第三主应力最大值分别为1.48、0.56 MPa；由于水荷载的作用，坝体内部心墙、地基防渗墙共同组成的防渗体的上、下游侧的应力存在不连续现象[3]。

图4 正常蓄水位工况下大坝横断面第一及第三主应力

3.2.3 坝体剪应力水平

竣工工况和正常蓄水工况下坝体剪应力水平，如图5所示。

图5 竣工工况和正常蓄水位工况下大坝横断面动剪应力

从图5 可以看出，在坝体竣工期，最大剪应力发生在上、下游过渡料和心墙结合处，最大值为0.49，上下游分布近似对称；而正常蓄水工况下由于水荷载的作用，最大剪应力发生在上游过渡料区与心墙结合处，最大值为0.84，但未发生剪切破坏。

3.3 坝体动力非线性有限元计算成果分析

查阅《中国地震动参数区划图》，可确定塔尔朗水库场地特征周期Tg=0.40 s。根据《水电工程水工建筑物抗震设计规范》，塔尔朗水库工程设计反应谱的平台最大值βmax=1.60，最小值βmin=0.478，大于βmax的20%，已经满足规范要求。查阅《中国地震动参数区划图》和根据地质报告可确定塔尔朗水库地震峰值加速度为0.20 g，因此本计算过程中以0.20 g 的地震峰值加速度作为设计地震波。

采用SIMQKE-GR 程序生成规范谱与地震波，大坝水平向（顺河向和坝轴向）地震动峰值加速度时程曲线的生成结果如图6所示。

图6 大坝水平向（顺河向和坝轴向）地震动峰值加速度时程曲线

其中，设计地震规范波作用下大坝水平向地震动峰值加速度为2.0 m/s2，竖向地震动峰值加速度取水平向地震动峰值加速度的2/3，即1.33 m/s2。

具体计算结果，详见表3。

表3 不同工况下大坝动力反应及永久变形计算结果

3.3.1 坝体动力反应

塔尔朗水库在设计地震规范波作用下坝体动力反应，如图7—9所示。

图7 塔尔朗水库在设计地震规范波作用下坝体加速度反应极值

从图7 可以看出，在设计地震规范波作用下，大坝3个方向的加速度反应极值基本于坝体保持对称分布，最大值均发生在坝顶部位，其中顺河向地震动峰值加速度最大反应值为565 g，放大倍数为2.83倍；竖直向地震动峰值加速度最大反应值为360 g，放大倍数为1.80倍；坝轴向地震动峰值加速度最大反应值为389 g，放大倍数为1.95倍。从图8可以看出，坝顶振幅相对较大，最大达7.74 cm。从图9可以看出，Txy方向的动剪应力在坝体心墙与过渡料相接区约1 127.0 m高程出现峰值，最大动剪应力为139 kPa；在心墙与反滤料相接区域，Txz方向的动剪应力较大，最大动剪应力为124 kPa；Tyz方向的动剪应力极值主要存在于下游坝壳料区中上部，最大动剪应力为107 kPa[4]。

图8 塔尔朗水库在设计地震规范波作用下坝体最大振幅

图9 塔尔朗水库在设计地震规范波作用下坝体动剪应力极值分布

3.3.2 震后永久变形

塔尔朗水库在设计地震规范波作用下坝体震后永久变形，如图10所示。

图10 塔尔朗水库在设计地震规范波作用下坝体震后永久变形

从图10 可以看出，在设计地震规范波作用下，坝体顺河向的永久变形基本指向下游，最大值为3.7 cm，出现在河床最大剖面；竖直向永久变形最大值为11.6 cm，位于最大剖面的坝顶；坝轴向永久变形为两岸向河谷内发展，基本呈对称趋势分布，最大值左岸指向右岸为1.57 cm、右岸指向左岸为1.45 cm[5]。

4 结论

通过对塔尔朗水库土石坝的三维有限元静、动力计算成果和实际情况的比较分析，认为计算成果与实际情况基本相符，证明成果合理，主要结论如下。

（1）在竣工期坝体最大沉降发生在坝高的约1/2处，最大竖直方向位移占最大坝高的0.82%；在蓄水期坝体最大沉降亦发生在坝高的约1/2 处，最大竖直方向位移占最大坝高的0.88%。

（2）在竣工期和蓄水期，在坝轴线附近的坝体底部均有最大主应力产生，第一主应力随着越靠近坝底中部坝轴线附近会变得越大。

（3）对大坝进行三维地震反应分析发现，最大加速度反应的放大倍数约2.83 倍，位置基本在坝顶部位，存在鞭梢效应。经计算，竖直方向地震永久变形最大值为11.6 cm，位于最大剖面的坝顶。

（4）坝体动剪应力峰值主要分布在心墙与反滤料相接的两侧区域，最大值为139 kPa。

（5）大坝静、动力计算结果表明，在竣工期和蓄水期坝体最大沉降值占最大坝高的百分比小于1%，最大加速度反应、最大永久变形均位于坝顶，其分布规律合理，符合土石坝的一般规律。

综上，塔尔朗水库沥青混凝土心墙坝的设计方案是合理的。为保证塔尔朗水库沥青混凝土心墙砂砾石坝满足抗震要求，需要采取一定的抗震措施[6]。